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EP0911608A1 - Procédé et dispositif de localisation et/ou de mesure de vitesse de vehicules - Google Patents

Procédé et dispositif de localisation et/ou de mesure de vitesse de vehicules Download PDF

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Publication number
EP0911608A1
EP0911608A1 EP98402613A EP98402613A EP0911608A1 EP 0911608 A1 EP0911608 A1 EP 0911608A1 EP 98402613 A EP98402613 A EP 98402613A EP 98402613 A EP98402613 A EP 98402613A EP 0911608 A1 EP0911608 A1 EP 0911608A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vehicle
sensor
obstacles
sensors
odometer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98402613A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Paul Guyvarch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0911608A1 publication Critical patent/EP0911608A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/021—Measuring and recording of train speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/026—Relative localisation, e.g. using odometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C22/00—Measuring distance traversed on the ground by vehicles, persons, animals or other moving solid bodies, e.g. using odometers, using pedometers
    • G01C22/02—Measuring distance traversed on the ground by vehicles, persons, animals or other moving solid bodies, e.g. using odometers, using pedometers by conversion into electric waveforms and subsequent integration, e.g. using tachometer generator
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/64—Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P3/66—Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance using electric or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a localization method and / or vehicle speed measurement, and a setting device artwork.
  • GPS receivers cooperating with a network of satellites.
  • this requires that GPS receivers can receive signals from these satellites, which is impossible in tunnels and very deep mountain valleys.
  • the precision location is limited to a few hundred meters for civil applications.
  • the subject of the present invention is a method making it possible to constantly know, with very good precision (clearly better than one per thousand) the position of vehicles, and if applicable, their speed, without requiring the installation of devices on their route specific, such as tags, and that is easy to implement.
  • the present invention also relates to a device for implementation of this process, device which is as inexpensive as possible, implantable on different types of vehicles, and which can work correctly in all weathers.
  • a vehicle of the invention being provided with at least one sensor connected to processing circuits of its signal, process by which the sensor is directed in one direction substantially perpendicular to the main surface of obstacles close to the lane followed by the vehicle and whose geographic positions are known with precision and memorized on board the vehicle, these obstacles being located at much shorter intervals than the path length along which we want to determine the position of the vehicle, and according to which when the sensor detects one of these surfaces, the processing circuits take into account this detection if the contrast exceeds a threshold determined, and if so, search the exact location in memory of the obstacle, this position being thus found, it is displayed in the vehicle, or used for further processing (remote transmission to a station , statistics, announcements to travelers ...), and this process is characterized in that the sensor is a working radiometric sensor in microwave waves, and that this sensor detects said surfaces main main by detecting the temperature contrast in microwave with respect to the temperature of the surrounding background.
  • At least one learning path with the same sensor in order to make the obstacle detection.
  • the present invention is described below with reference to use on a train, but it is understood that it can be used for other vehicles not necessarily traveling on a railroad tracks, such as buses, or even cars particular not necessarily following a fixed route. It suffices for be able to implement the invention, that the route followed by the vehicles involves, at much shorter intervals (a hundred times or more for example) that the length of the journey that these vehicles must travel, "obstacles" that can be identified without fail by sensors.
  • These obstacles are preferably obstacles having a surface substantially flat located either above the path of the vehicles, in particular engineering structures such as bridges or tunnels, either laterally, such as that of buildings or constructions very close to the route followed by vehicles (stations switching points, transformer stations, hangars or crossing barriers level).
  • the route does not include such works on a important section, we can implant it on this section at intervals, regular or not, quite large (for example 5 to 10 km). Because these works are "passive" from a radioelectric point of view (they do not include no electronic components), their installation and maintenance on a such section are inexpensive.
  • the invention provides for the use of radiometric sensors.
  • sensors operating in centimeter or millimeter waves, detect in fact a sufficient "temperature” contrast, in these wavelengths, between said obstacles and the surrounding background (sky or earth depending on the orientation surfaces), regardless of weather conditions and the hour of observation.
  • the invention provides to have on board each vehicle to equip at least one radiometric sensor pointed approximately at the zenith, by example at an angle of about 10 ° with the vertical, which allows it to detect with great precision the start of said horizontal surface (which is, for example, the underside of a bridge deck), which has a significant temperature contrast (100 ° K or more) with the sky at the zenith, which is significantly “colder” at the frequencies used, whatever weather conditions.
  • the roof of the vehicle or behind its windshield a small fixed antenna acting as passive microwave sensor, this antenna being associated with a receiver appropriate.
  • This antenna can be made in any suitable way: flat antenna, comet antenna, satellite dish Localization accuracy of this start of the horizontal surface can be of the order of a few centimeters, in particular thanks to the fact that the opening angle of the antenna lobe can be low (a few degrees) and that these obstacles are close to the antenna.
  • the senor is relatively undisturbed by the catenary and their supports, due to the small surface area of these "seen” by the sensor, while other obstacles, such as bridges, have a surface "Hot" much larger.
  • these bridges on the track path recent railroads can be more than enough (about one bridge every 3 to 4 km on average) to allow a satisfactory position adjustment, without requiring research other kinds of obstacles.
  • these obstacles can be the barriers of the passages to level. Generally, these barriers are several meters long and have a diameter close to 10 cm. In this case, the radiometer antenna must be oriented laterally or downwards, in the middle direction of these barriers. Such a barrier reflects the sky ("cold") and therefore appears in negative contrast compared to "hot" soil.
  • the route is run several times, to different weather conditions, by an equipped laboratory vehicle of these same sensors.
  • the detection information provided by these sensors and only retains those corresponding to safe obstacles (in eliminating for example those due to vehicles, gantry cranes catenary or those not providing a repetitive result, for example by due to variations in sunshine, or measurement time or conditions varying from one measure to another).
  • the information retained is stored with the geographic coordinates of the obstacles correspondents, to form a reference database, which is then stored on board all vehicles following the same route or the same part of the journey.
  • the invention can be applied to vehicles without odometer.
  • speed measurements are made (performed as described below) from the starting point of the vehicle, which allows, knowing the time lapse separating two speed measurements successive, to determine, at least approximately, the distance separating the places where these speed measurements were made.
  • the obstacles are preferably closer to each other, and if necessary, artificial obstacles can be added.
  • an electronic counter can display an interpolated position of the vehicle, indicating, in any appropriate manner, that this position is approximate, whereas it is exact when passing obstacles.
  • the process of the invention it is possible to make very good speed measurements.
  • the typical noise temperatures of receivers are as follows: at 16 Ghz, - T rec ⁇ 200 ° K and at 94 Ghz: T rec ⁇ 900 ° K.
  • the bottom temperature depends on its nature (sky or earth), the average incidence of aiming of the sensors, the weather conditions and the frequency considered.
  • sky or earth the average incidence of aiming of the sensors
  • the weather conditions and the frequency considered As an example, one can consult chapter 39 of the book "Radar Handbook", published under the direction of Mr. SKOLNlK at Editions Mc Graw-Hill Book Company.
  • this work there are several diagrams making it possible to determine the temperature of the sky background at different wavelengths, for variable angles of incidence and for different meteorological conditions.
  • T background ⁇ 30 ° K and at 94 Ghz: T background ⁇ 100 ° K for cloudy weather.
  • T bottom ⁇ 300 ° K in dry weather For a ground floor mainly made up of vegetation, we have T bottom ⁇ 300 ° K in dry weather.
  • the temperature transitions between the bottom (sky or ground) and the obstacle surfaces measured by the sensor are smoothed to because of the relatively large width of the antenna pattern of this sensor. If you have, for example, an antenna with a diameter of 10 cm, the lobe width at 3 dB is approximately 13 ° at 16 GHz and 2.2 ° at 94 GHz. Yes such an antenna is 3 m from the obstacle, the area of uncertainty in distance, i.e. its resolution is approximately 0.7 m at 16 Ghz and 0.12 m at 94 Ghz.
  • the measurement accuracy is about 1/10 of the above mentioned values for the detection of temperature transitions. So for the examples mentioned above, at 16 Ghz, the error linked to the antenna lobe remains preponderant (1/10 about 0.7 m, or about 7 cm), while at 94 Ghz, it is the same order than that resulting from sampling (about 1/10 of 0.12 m, i.e. about 1 cm).
  • the precision obtained at the time of registration position according to the invention is much better than the objective cited in preamble (error less than 10 m).
  • the vehicle position is extrapolated to using his odometer. So, 1 km after registration, the measurement error is, for example about 3 m for an odometer with an accuracy of 3 for thousand (the registration error, which is a few centimeters, is negligible), whereas if the odometer was not readjusted, the error could be 1,500 m after a 500 km journey.
  • ⁇ r and ⁇ d are of the same order because, if d can be measured with great precision (the train being stopped at the station by example), the axes of sight will be harmonized only about 1 / 10th of the width of the lobe.
  • the main problem in practice comes from parasitic movements of the train swaying which may slightly modify the relative aiming conditions of the two sensors (especially for a side view).
  • you climb advantageously sensors at both ends of the same powerplant, which minimizes this problem and in addition simplifies the problems of connection between the two sensors (on the other hand d will be reduced by the same amount).
  • the train is much more rigid and the sensors can even be mounted on both ends of a train.
  • the accuracy of the measurements can be improved in large proportions (by reducing measurement noise) by filtering, in particular by Kalman filtering.
  • the precision indicated above corresponds in fact to an instantaneous measurement (to the correlation window near).
  • the passive mode of the invention does not have this drawback because the radiation is diffuse and integrated over a much wider band.
  • the second element contributing to the robustness of the invention is the excellent complementarity with the odometers fitted already the locomotives. In fact, they considerably reduce the time required for the correlation window, thus limiting the risk ambiguities.
  • the sensors aim either at the immediate edge of the track (sensor aiming at left of the direction of travel), either on the opposite side of the track (sensor aimed at right of the direction of travel).
  • the power train 1 is equipped at each of its two ends with three sensors: one sensor 2 is fixed on its roof and two side sensors 3, only the two lateral sensors fixed on its visible side in the drawing being represented. All these six sensors are receiving antennas microwaves of the aforementioned type. These sensors are connected to a receiver 4, itself connected by filters 5 to a microcomputer 6, for example a "PC".
  • the microcomputer 6 is connected to a memory 7 in which are memorized the data relating to the journey that the train must travel. These data are the distances of successive obstacles along the path, from the origin of this journey, i.e. the station of departure of the train (or possibly its terminus station, and in this case these distances go decreasing, the odometer then operating as a down-counter). These informations distance can possibly be supplemented by other information, for example: nature of obstacles (overhead obstacles or lateral), average amplitude of the thermal contrast of obstacles in dependent on the outside temperature, sunshine, time and season, ... length of obstacles measured along the beam path sensors, etc.
  • the microcomputer 6 is also connected via a bidirectional interface 8 appropriate to the train's odometer 9. Of course, elements 4 to 9 are arranged on board the train.
  • the operating program of sensors 1 to 3 stored in the microcomputer 6 is obvious for a person skilled in the art to read. this description.
  • this program contains, among others, a comparison and windowing function, to discriminate spurious signals.
  • the windowing function opens a time window shortly before the estimated location of the actual obstacles, based on indications of the odometer 9.
  • the comparison function makes it possible to compare with a threshold the signals received from the filters 5, and possibly to compare these signals with a shape template (stiffness of the transition characteristic between the bottom and the “cold” or “hot” surface of the obstacle and the distance between this transition and the transition from this surface to the bottom).
  • the microcomputer program also includes a speed calculation function from the indications of two sensors distant.

Landscapes

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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Navigation (AREA)

Abstract

Ce procédé consiste essentiellement à détecter à bord d'un train parcourant une voie ferrée, à l'aide d'un capteur radiométrique hyperfréquences passif, des obstacles, tels que ponts, tunnels et bâtiments proches de la voie, ces obstacles présentant, en hyperfréquences, un fort contraste thermique avec le fond environnant (terre ou ciel), les emplacements exacts de ces obstacles étant mémorisés à bord du train. Grâce à l'odomètre du train, on ouvre une fenêtre temporelle peu avant l'emplacement estimé de chaque obstacle. La comparaison avec les indications fournies par le capteur permettent de recaler l'odomètre, dont la précision est ainsi nettement améliorée. <IMAGE>

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de localisation et/ou de mesure de vitesse de véhicules, et à un dispositif de mise en oeuvre.
Il est important de connaítre à chaque instant avec une bonne précision la position des trains sur le réseau ferré. Cela peut notamment être utile en cas de panne, ou pour faire passer des trains en sens opposés sur des tronçons à voie unique, ou encore pour les futurs trains de type pendulaire afin d'anticiper les courbes.
Pour répondre à ce besoin, les sociétés d'exploitation de chemins de fer ne disposent aujourd'hui que de capteurs de tours de roue offrant une précision de quelques pour mille. Des radars odométriques ont également été étudiés ; ils devraient permettre d'améliorer cette précision (environ un pour mille).
Ce résultat demeure toutefois insuffisant car l'erreur est encore de 500 m après 500 km de marche. L'objectif à atteindre serait en fait une erreur en permanence inférieure à 10 m.
Cet objectif peut être atteint en disposant à intervalles réguliers des balises de recalage (émission d'un signal particulier) près des voies ferrées. Les inconvénients sont bien sûr le coût des équipements (qui doivent être fiabilisés à l'extrême), le coût d'installation et de maintenance.
Pour connaítre à tout moment la position de véhicules, en particulier d'aéronefs, on utilise des récepteurs GPS coopérant avec un réseau de satellites. Toutefois, il faut pour cela que les récepteurs GPS puissent capter les signaux de ces satellites, ce qui est impossible dans les tunnels et les vallées très encaissées des montagnes. De plus, la précision de localisation reste limitée à quelques centaines de mètres pour les applications civiles.
Par ailleurs, on connaít des systèmes permettant de se localiser par rapport à des éléments remarquables de la route ou de la voie, par exemple les ponts. Pour détecter ces éléments, divers types de techniques ont été proposées :
  • détecter l'affaiblissement des ondes radio (demande de brevet Philips EP 0 605 926 A)
  • détecter les variations de niveau d'un signal GPS et/ou d'un champ géomagnétique (demande de brevet Zexel WO 94 16504A)
  • utiliser des capteurs optiques, acoustiques ou Radar (demande de brevet Bosch DE 42 17 555A).
La présente invention a pour objet un procédé permettant de connaítre en permanence, avec une très bonne précision (nettement meilleure que un pour mille) la position de véhicules, et le cas échéant, leur vitesse, sans nécessiter l'implantation sur leur parcours de dispositifs spécifiques, tels que des balises, et qui soit facile à mettre en oeuvre.
La présente invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, dispositif qui soit le moins onéreux possible, implantable sur différents types de véhicules, et qui puisse fonctionner correctement par tous temps.
Le procédé de localisation précise d'un véhicule de l'invention, ce véhicule étant muni d'au moins un capteur relié à des circuits de traitement de son signal, procédé selon lequel on dirige le capteur dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface principale d'obstacles proches de la voie suivie par le véhicule et dont les positions géographiques sont connues avec précision et mémorisées à bord du véhicule, ces obstacles étant situés à des intervalles beaucoup plus courts que la longueur du trajet le long duquel on veut déterminer la position du véhicule, et selon lequel lorsque le capteur détecte une de ces surfaces, les circuits de traitement prennent en compte cette détection si le contraste dépasse un seuil déterminé, et dans l'affirmative, recherchent en mémoire la position exacte de l'obstacle, cette position étant ainsi trouvée, elle est affichée dans le véhicule, ou utilisée pour un traitement ultérieur (télétransmission à un poste de commande, statistiques, annonces aux voyageurs...), et ce procédé est caractérisé en ce que le capteur est un capteur radiométrique fonctionnant en ondes hyperfréquences, et que ce capteur détecte lesdites surfaces principales principales par détection du contraste de température en hyperfréquences par rapport à la température du fond environnant.
De façon avantageuse, avant la première mise en oeuvre du procédé de l'invention, on procède sur un véhicule-laboratoire à au moins un parcours d'apprentissage avec le même capteur, afin de fiabiliser la détection des obstacles.
La présente invention utilise également la détection d'éléments remarquables de l'infrastructure, notamment les ponts enjambant les voies. Elle est caractérisée par l'emploi pour ce faire d'un capteur radiométrique en ondes hyperfréquences. Par rapport aux trois documents cités ci-dessus, ses principaux avantages sont les suivants :
  • comparé aux capteurs qui détectent l'affaiblissement d'ondes radio ou GPS, le capteur proposé est plus robuste car non perturbé par les aléas de propagation en présence de relief accidenté ou en fonction des conditions météorologiques. Il est en outre beaucoup plus précis (quelques centimètres) ce qui lui permet en plus une évaluation de la vitesse du véhicule, connaissant la largeur de l'élément de recalage (pont par exemple) ;
  • comparé aux mesures de variations du champ magnétique, le capteur proposé offre également une précision bien meilleure et n'est pas perturbé par la présence de masses métalliques importantes (par exemple, un camion stationnant à proximité du point de recalage) ;
  • par rapport aux capteurs optroniques, le principal avantage est une plus grande robustesse vis-à-vis des conditions météorologiques et des problèmes inhérents aux salissures des optiques ;
  • par rapport aux capteurs Radar, il a l'avantage d'être purement passif (pas de problème de couplage mutuel entre capteurs) et d'utiliser des signaux beaucoup plus reproductibles dans le temps (pas de problème de scintillation). Enfin, le coût du capteur est plus faible (pas d'émetteur, pas de dispositif de mesure de distance et/ou de fréquence Doppler, emploi éventuel d'une détection directe, c'est-à-dire sans changement de fréquence.
La présente invention est décrite ci-dessous en référence à l'utilisation à bord d'un train, mais il est bien entendu qu'elle peut être mise en oeuvre pour d'autres véhicules ne circulant pas nécessairement sur une voie ferrée, comme par exemple des autobus, ou même des voitures particulières ne suivant pas nécessairement un trajet fixe. Il suffit, pour pouvoir mettre en oeuvre l'invention, que le trajet suivi par les véhicules comporte, à des intervalles beaucoup plus courts (cent fois ou davantage par exemple) que la longueur du trajet que doivent parcourir ces véhicules, des « obstacles » pouvant être repérés à coup sûr par des capteurs. Ces obstacles sont, de préférence, des obstacles comportant une surface sensiblement plane située soit au-dessus du trajet des véhicules, en particulier des ouvrages d'art tels que des ponts ou des tunnels, soit latéralement, comme par exemple celle des bâtiments ou de constructions particulières très proches de la voie suivie par les véhicules (postes d'aiguillage, postes transformateurs, hangars ou barrières de passages à niveau...). Dans le cas où le trajet ne comporte pas de tels ouvrages sur une section importante, on peut en implanter sur cette section à des intervalles, réguliers ou non, assez grands (par exemple 5 à 10 km). Du fait que ces ouvrages sont « passifs » du point de vue radioélectrique (ils ne comportent aucun composant électronique), leur implantation et leur entretien sur une telle section sont peu onéreux.
Pour que ces obstacles puissent être repérés à coup sûr par des capteurs, l'invention prévoit d'utiliser des capteurs radiométriques. De tels capteurs, fonctionnant en ondes centimétriques ou millimétriques, détectent en fait un contraste de « température » suffisant, dans ces longueurs d'onde, entre lesdits obstacles et le fond environnant (ciel ou terre selon l'orientation des surfaces), et ce, quelles que soient les conditions météorologiques et l'heure d'observation.
Pour pouvoir détecter des obstacles « à surface horizontale » du type précité, l'invention prévoit de disposer à bord de chaque véhicule à équiper au moins un capteur radiométrique pointé à peu près au zénith, par exemple selon un angle d'environ 10° avec la verticale, ce qui lui permet de détecter avec une grande précision le début de ladite surface horizontale (qui est, par exemple la face inférieure d'un tablier de pont), qui présente un contraste de température important (100°K ou plus) avec le ciel au zénith, qui est nettement plus « froid » aux fréquences utilisées, quelles que soient les conditions météorologiques. A cet effet, on fixe par exemple sur le toit du véhicule ou derrière son pare-brise une petite antenne fixe faisant office de capteur passif hyperfréquences, cette antenne étant associée à un récepteur approprié. Cette antenne peut être réalisée de toute façon appropriée : antenne plate, antenne comet, parabole La précision de localisation de ce début de surface horizontale peut être de l'ordre de quelques centimètres, en particulier grâce au fait que l'angle d'ouverture du lobe de l'antenne peut être faible (quelques degrés) et que ces obstacles sont proches de l'antenne.
Dans le cas où le véhicule en question est un train à traction électrique, le capteur est relativement peu perturbé par les caténaires et leurs supports, du fait de la faible surface de ceux-ci « vue » par le capteur, alors que les autres obstacles, tels que les ponts, présentent une surface « chaude » beaucoup plus grande.
Par ailleurs, la fréquence de ces ponts sur le trajet des voies ferrées récentes, telles que les lignes de TGV françaises, peut être largement suffisante (environ un pont tous les 3 à 4 km en moyenne) pour permettre un recalage de position satisfaisant, sans nécessiter la recherche d'autres genres d'obstacles. Par contre, dans le cas de voies ferrées plus anciennes, pour lesquelles les croisements avec les routes se font en grande partie à l'aide de passages à niveau, il faut rechercher d'autres types d'obstacles puisque les ponts sont alors beaucoup plus espacés. De façon avantageuse, ces obstacles peuvent être les barrières des passages à niveau. Généralement, ces barrières sont longues de plusieurs mètres et ont un diamètre proche de 10 cm. Dans ce cas, l'antenne du radiomètre doit être orientée latéralement ou vers le bas, dans la direction moyenne de ces barrières. Une telle barrière réfléchit le ciel (« froid ») et apparaít donc en contraste négatif par rapport au sol « chaud ».
Dans le cas des voies ferrées, pour lesquelles les ponts et/ou les barrières de passages à niveau se présentent à une fréquence insuffisante, ou bien dans le cas de véhicules routiers, ou de bateaux de navigation fluviale, circulant sur des voies croisant peu de ponts ou pas du tout, on peut se servir d'autres obstacles proches de ces voies: bâtiments, clôtures, pylônes ... ou des obstacles naturels : rochers, grands arbres, ou bien même on peut disposer des obstacles spécifiques tels que des plaques de dimensions suffisantes le long de ces voies.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, avant la mise en service des capteurs, on fait parcourir le trajet plusieurs fois, pour différentes conditions météorologiques, par une véhicule-laboratoire équipé de ces mêmes capteurs. On relève les informations de détection foumies par ces capteurs, et ne retient que celles correspondant à des obstacles sûrs (en éliminant par exemple celles dues à des véhicules, à des portiques de caténaires ou celles ne fournissant pas un résultat répétitif, par exemple par suite de variations d'ensoleillement, ou d'heure de mesure ou de conditions climatiques variant d'une mesure à l'autre). Les informations retenues sont mémorisées avec les coordonnées géographiques des obstacles correspondants, pour former une base de données de référence, qui est ensuite mise en mémoire à bord de tous les véhicules suivant le même trajet ou la même partie de trajet. Il suffit alors d'effectuer à bord de ces véhicules une corrélation entre cette base de données et les informations foumies par leurs propres capteurs pour pouvoir éliminer à coup sûr les informations erronées foumies par les capteurs en phase d'exploitation normale du véhicule. Ces informations erronées peuvent provenir d'obstacles non répertoriés dans la base de données : caténaires, véhicules, artefacts dus à des conditions météorologiques diverses... Pour mettre en oeuvre cette corrélation, les informations en provenance du (ou des) capteur (s) sont inhibées dans les intervalles de trajet dans lesquels la base de données ne comporte aucun obstacle « sûr ». A l'approche d'un obstacle répertorié, on ouvre une « fenêtre » temporelle. La localisation de cet obstacle est estimée à partir du dispositif indicateur de position du véhicule, généralement appelé « odomètre » et équipant le véhicule, le temps d'ouverture de la fenêtre tenant compte de l'imprécision de l'odomètre. Il faut toutefois noter que cette imprécision, même si elle est relativement importante en l'absence de mise en oeuvre du procédé de l'invention, devient tolérable ou même négligeable grâce au recalage fréquent produit par le procédé de l'invention. Toutefois, il est bien entendu que l'invention peut s'appliquer à des véhicules sans odomètre. Dans ce cas, on effectue des mesures de vitesse (réalisées comme décrit ci-dessous) à partir du point de départ du véhicule, ce qui permet, connaissant les laps de temps séparant deux mesures de vitesse successives, de déterminer, au moins approximativement, la distance séparant les endroits où ont été faites ces mesures de vitesse. A cet effet, les obstacles sont, de préférence, plus rapprochés les uns des autres, et si nécessaire, des obstacles artificiels peuvent être ajoutés. Entre deux mesures successives de vitesse, si cette vitesse est sensiblement constante, un compteur électronique peut afficher une position interpolée du véhicule, en indiquant, de toute façon appropriée, que cette position est approximative, alors qu'elle est exacte au passage des obstacles.
Selon un aspect avantageux du procédé de l'invention, on peut effectuer des mesures de vitesse de très bonne précision. A cet effet, on dispose sur le véhicule deux capteurs radiométriques identiques, séparés d'une distance mesurée au préalable avec une grande précision. Pour déterminer la vitesse du véhicule, il suffit de mesurer l'intervalle de temps séparant la détection d'un même obstacle par chacun de ces deux capteurs. Connaissant la distance séparant ces deux capteurs, on en déduit très simplement la vitesse du véhicule. On remarquera qu'il n'est pas nécessaire que cet obstacle fasse partie de ceux répertoriés dans ladite base de données. En effet, étant donné la vitesse du véhicule et la distance des deux capteurs, l'intervalle de temps séparant la détection d'un même obstacle par ces deux capteurs est généralement très court, ce qui fait que les conditions de détection d'un même obstacle ne varient pratiquement pas entre les détections de ces deux capteurs. Il est ainsi possible de détecter des obstacles présentant un moindre contraste thermique avec le fond environnant que dans le cas de l'utilisation d'un seul capteur, du fait que la corrélation des informations foumies par les deux capteurs est élevée.
De façon générale, la précision de mesure dépend des paramètres suivants :
  • la sensibilité du (des) radiomètre (s)
  • la largeur du faisceau d'antenne
  • la cadence de mesure (nombre d'obstacles par unité de longueur de trajet)
  • le contraste thermique des obstacles (qui dépend de leur nature et des conditions météorologiques)
  • l'emplacement du (des) capteur (s) sur les véhicules
  • la vitesse des véhicules.
La sensibilité ΔTmin des radiomètres est donnée par la formule approchée suivante : ΔTmin = Tsys (BHF.τi)-½
  • avec Tsys = Trec + Tfond
  • Trec étant la température de bruit du récepteur auquel sont reliés les capteurs.
  • Tfond étant la température radiométrique du fond
  • BHF étant la largeur de la bande hyperfréquence du récepteur
  • τi étant le temps d'intégration de la mesure.
    • Dans l'état actuel de la technologie, les températures de bruit typiques des récepteurs sont les suivantes: à 16 Ghz, - Trec ≈ 200° K et à 94 Ghz : Trec ≈ 900° K.
    La température du fond dépend de sa nature (ciel ou terre), de l'incidence moyenne de visée des capteurs, des conditions météorologiques et de la fréquence considérée. A titre d'exemple, on peut consulter le chapitre 39 du livre « Radar Handbook», publié sous la direction de M. SKOLNlK aux Editions Mc Graw-Hill Book Company. Dans cet ouvrage, on trouve plusieurs diagrammes permettant de déterminer la température du fond de ciel à différentes longueurs d'onde, pour des angles d'incidence variables et pour des conditions météorologiques différentes. Ainsi, par exemple, au zénith on a : à 16 Ghz : Tfond ≈ 30° K et à 94 Ghz : Tfond ≈ 100° K pour un temps nuageux. Pour un fond de sol majoritairement constitué de végétation, on a Tfond ≈ 300°K par temps sec. La bande hyperfréquence que l'on peut obtenir dépend également de la fréquence ; par exemple, on a relevé les valeurs typiques suivantes : à 16 Ghz : BHF = 1 Ghz et à 94 Ghz, BHF = 5 Ghz, mais il est bien entendu que l'on peut obtenir des valeurs supérieures avec d'autres appareils. Le temps d'intégration τi doit alors être choisi de façon à assurer une sensibilité suffisante au radiomètre; quelles que soient les conditions météorologiques. On peut admettre qu'une sensibilité ΔTmin = 1° K est suffisante. De la relation approchée citée ci-dessus, on tire : τi = (Tsys/ΔTmin) 2/BHF
    On obtient alors, pour les valeurs citées ci-dessus à titre d'exemple, pour τi ;
  • à 16 Ghz : τi = 0,1 ms pour un fond de ciel
  • et τi = 0,3 ms pour un fond de sol
  • et à 94 Ghz : τi = 0,2 ms pour un fond de ciel
  • et τi= 0,3 ms pour un fond de sol.
    • Le temps d'intégration τi correspond à la plus faible cadence d'échantillonnage possible des mesures. Si υ est la vitesse du véhicule, l'écart type de l'erreur de localisation lié à l'échantillonnage est donné par : σe = (1/12).υ.τi
    Dans le cas où le véhicule est un train à grande vitesse (TGV), pour lequel υ = 100 m/s par exemple, on a : 3.10-3m < σe < 9.10-3m
    D'autre part, les transitions de température entre le fond (ciel ou sol) et les surfaces des obstacles mesurées par le capteur sont lissées à cause de la relativement grande largeur du diagramme d'antenne de ce capteur. Si on a, par exemple, une antenne d'un diamètre de 10 cm, la largeur du lobe à 3 dB est environ de 13° à 16 GHZ et de 2,2° à 94 Ghz. Si une telle antenne est à 3 m de l'obstacle, la zone d'incertitude en distance, c'est-à-dire sa résolution est d'environ 0,7 m à 16 Ghz et de 0,12 m à 94 Ghz.
    Pour un rapport signal/bruit supérieur à 20 dB (soit un contraste supérieur à 100°K, pour une sensibilité de 1°K), on peut admettre que la précision de mesure est d'environ 1/10 des valeurs mentionnées ci-dessus pour la détection des transitions de température. Ainsi, pour les exemples précités, à 16 Ghz, l'erreur liée au lobe d'antenne reste prépondérante (1/10 de 0,7 m environ, soit environ 7 cm), alors qu'à 94 Ghz, elle est du même ordre que celle résultant de l'échantillonnage (1/10 de 0,12 m environ, soit environ 1 cm).
    Dans tous les cas, la précision obtenue au moment du recalage de position selon l'invention est bien meilleure que l'objectif cité en préambule (erreur inférieure à 10 m).
    Entre deux recalages, la position du véhicule est extrapolée à l'aide de son odomètre. Ainsi, 1 km après le recalage, l'erreur de mesure est, par exemple d'environ 3 m pour un odomètre ayant une précision de 3 pour mille (l'erreur de recalage, qui est de quelques centimètres, est négligeable), alors que si l'odomètre n'était pas recalé, l'erreur pourrait être de 1 500 m après un trajet de 500 km.
    On peut également déduire de ces considérations la précision d'une mesure de vitesse, d'un train par exemple, effectuée en utilisant deux radiomètres orientés de la même façon et écartés d'une distance d (suivant l'axe du train) :
    • si l'écart type de mesure de distance résultant de la corrélation entre les deux radiomètres est σr, si v est la vitesse du train et si σd est l'écart type sur la mesure de d, l'écart type de l'estimation de la vitesse sera : σv = (v/d) (σr2 + σd2)1/2
    Cela suppose bien entendu que v est constante pendant l'intervalle de temps Δt séparant les deux mesures (on mesure en fait une vitesse moyenne pendant cet intervalle de temps), augmenté de la durée de la séquence de corrélation (par exemple du même ordre que Δt).
    On peut supposer que σr et σd sont du même ordre car, si d peut être mesuré avec une grande précision (le train étant à l'arrêt en gare par exemple), les axes de visée ne seront harmonisés qu'à environ 1/10ème de la largeur du lobe.
    En prenant d = 100 m et σr = σd = 0,012 m, on obtient σv/v = 0,2 10-3.
    Il convient de remarquer que, dans les courbes, cette mesure vitesse n'est pas biaisée.
    En fait, dans la pratique, le principal problème vient des mouvements parasites de louvoiement du train qui pourront légèrement modifier les conditions relatives de visée des deux capteurs (surtout pour une visée latérale). Sur un train classique, on monte de façon avantageuse les capteurs aux deux extrémités d'une même motrice, ce qui minimise ce problème et de surcroít simplifie les problèmes de liaison entre les deux capteurs (par contre d sera réduit d'autant). Sur un TGV, la rame est beaucoup plus rigide et les capteurs peuvent même être montés aux deux extrémités d'une rame.
    Dans tous les cas, la précision des mesures peut être améliorée dans de grandes proportions (en diminuant les bruits de mesure) par filtrage, en particulier par filtrage de Kalman. La précision indiquée précédemment correspond en effet à une mesure instantanée (à la fenêtre de corrélation près).
    La robustesse du procédé de mesure de l'invention provient tout d'abord du type de capteur utilisé :
    • par rapport à un capteur infrarouge passif, le capteur radiométrique en ondes hyperfréquences est beaucoup moins sensible aux conditions météorologiques et ne nécessite pas un entretien aussi méticuleux (problème de salissure des optiques en infrarouge). De ce point de vue, le choix d'une bande centimétrique est généralement encore plus favorable que celui d'une bande millimétrique ;
    • par rapport à un capteur actif (radar ou laser), les signaux sont beaucoup plus lissés et plus déterministes. En effet, en mode actif, certains objets peuvent présenter un écho dont l'intensité varie très rapidement en fonction de l'angle d'observation. C'est notamment le cas des structures métalliques diverses surplombant la voie, des clôtures, etc...
    Le mode passif de l'invention ne présente pas cet inconvénient car le rayonnement est diffus et intégré sur une bande beaucoup plus large.
    Le deuxième élément concourant à la robustesse du procédé de l'invention, est l'excellente complémentarité avec les odomètres équipant déjà les locomotives. Ils permettent en effet de réduire considérablement la durée nécessaire à la fenêtre de corrélation, limitant ainsi le risque d'ambiguïtés.
    Par ailleurs, les objets (ponts, barrières...) utilisés comme obstacles de recalage sont situés aléatoirement le long de la voie. La fonction d'autocorrélation de cette séquence est donc elle même non ambiguë.
    Pour pouvoir bénéficier à la fois du recalage de position zénithal (tabliers de ponts), latéral (amers le long de la voie), et du recalage de vitesse, il est nécessaire de disposer quatre capteurs radiométriques reliés à un calculateur commun, tel qu'un micro-ordinateur classique (de type PC par exemple). Sur une rame de TGV, deux capteurs sont disposés à chaque extrémité, avec des angles de visée vers le haut et latéralement. L'emplacement précis est déterminé en fonction des autres contraintes propres au TGV.
    Pour la liaison entre capteurs avant et arrière, on s'efforcera dans la mesure du possible d'utiliser les liaisons déjà existantes (la bande passante nécessaire n'est que de quelques kHz, compatible de liaisons audiofréquences existantes).
    En ce qui conceme les capteurs latéraux, il faut signaler la dissymétrie gauche-droite liée au sens de marche du train (réversible) ; de ce fait, les capteurs visent soit le bord immédiat de la voie (capteur visant à gauche du sens de marche), soit de côté opposé de la voie (capteur visant à droite du sens de marche).
    Pour remédier à ce problème, il est nécessaire de réaliser des séquences d'apprentissage (choix d'obstacles) des deux côtés de la voie, l'idéal étant en fait une configuration à 6 capteurs (deux capteurs latéraux et un capteur zénithal à chaque extrémité). Compte tenu du prix très bas des capteurs radiométriques, cette dernière configuration est la plus intéressante.
    On a représenté, de façon très simplifiée, sur la figure unique du dessin, le bloc-diagramme d'un mode de réalisation d'un dispositif de recalage de position et de mesure de vitesse conforme à l'invention, dans le cas où le véhicule est en train. Ce mode de réalisation permet de réaliser des mesures aussi bien avec des obstacles zénithaux tels que des ponts et des tunnels qu'avec des obstacles latéraux tels que des barrières de passages à niveau et des bâtiments proches de la voie ferrée. A cet effet, la motrice 1 du train est équipée à chacune de ses deux extrémités de trois capteurs : un capteur 2 est fixé sur son toit et deux capteurs latéraux 3, seuls les deux capteurs latéraux fixés sur son côté visible sur le dessin étant représentés. Tous ces six capteurs sont des antennes réceptrices hyperfréquences du type précité. Ces capteurs sont reliés à un récepteur 4, lui-même relié par des filtres 5 à un micro-ordinateur 6, par exemple un « PC ». Le micro-ordinateur 6 est relié à une mémoire 7 dans laquelle sont mémorisées les données relatives au trajet que doit parcourir le train. Ces données sont les distances des obstacles successifs le long du trajet, depuis l'origine de ce trajet, c'est-à-dire la gare de départ du train (ou éventuellement sa gare terminus, et dans ce cas ces distances vont en décroissant, l'odomètre fonctionnant alors en décompteur). Ces informations de distance peuvent éventuellement être complétées par d'autres informations, par exemple: nature des obstacles (obstacles zénithaux ou latéraux), amplitude moyenne du contraste thermique des obstacles en fonction de la température extérieure, de l'ensoleillement, de l'heure et de la saison, ... longueur des obstacles mesurée le long du trajet des faisceaux des capteurs, etc... Le micro-ordinateur 6 est relié par ailleurs via une interface bidirectionnelle appropriée 8 à l'odomètre 9 du train. Bien entendu, les éléments 4 à 9 sont disposés à bord du train.
    Le programme d'exploitation des capteurs 1 à 3 mémorisé dans le micro-ordinateur 6 est évident à réaliser pour l'homme de l'art à la lecture de la présente description. On notera simplement que ce programme contient, entre autres, une fonction de comparaison et de fenêtrage, pour discriminer les signaux parasites. La fonction de fenêtrage ouvre une fenêtre temporelle peu avant l'emplacement estimé des vrais obstacles, d'après les indications de l'odomètre 9. La fonction de comparaison permet de comparer à un seuil les signaux reçus des filtres 5, et éventuellement de comparer ces signaux à un gabarit de forme (raideur de la caractéristique de transition entre le fond et la surface « froide » ou « chaude » de l'obstacle et distance entre cette transition et la transition de cette surface vers le fond).
    Le programme du micro-ordinateur comporte également une fonction de calcul de vitesse à partir des indications de deux capteurs distants.

    Claims (7)

    1. Procédé de localisation précise d'un véhicule, ce véhicule (1) étant muni d'au moins un capteur relié à des circuits de traitement (4 à 7) de son signal, procédé selon lequel on dirige le capteur dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface principale d'obstacles proches de la voie suivie par le véhicule et dont les positions géographiques sont connues avec précision et mémorisées (7) à bord du véhicule, ces obstacles étant situés à des intervalles beaucoup plus courts que la longueur du trajet le long duquel on veut déterminer la position du véhicule, et selon lequel lorsque le capteur détecte une de ces surfaces principales, les circuits de traitement prennent en compte cette détection si le contraste dépasse un seuil déterminé, et dans l'affirmative, recherchent en mémoire la position exacte de l'obstacle, cette position étant ainsi trouvée, elle est affichée dans le véhicule, et/ou utilisée pour un traitement ultérieur caractérisé en ce que le capteur est un capteur radiométrique (2,3) fonctionnant en hyperfréquences et que ce capteur détecte lesdites surfaces principales par détection du contraste de température en hyperfréquences par rapport à la température du fond environnant.
    2. Procédé selon la revendication 1, appliqué à un véhicule comportant un odomètre, caractérisé en ce que l'odomètre est utilisé pour rechercher en mémoire les positions exactes des obstacles correspondant au mieux à ses indications, et que lorsqu'une position est trouvée, l'odomètre est recalé si nécessaire.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'avant la première mise en oeuvre du procédé de l'invention, on procède sur un véhicule-laboratoire à au moins un parcours d'apprentissage avec le même capteur, afin de fiabiliser la détection des obstacles.
    4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on mesure également la vitesse du véhicule en le munissant d'au moins un autre capteur (2, 3) identique au premier, orienté de la même façon et éloigné de celui-ci d'une distance fixe connue (d), et que lorsqu'un même obstacle a été détecté par deux capteurs distants, on calcule la vitesse du véhicule, connaissant la distance séparant les capteurs et le laps de temps séparant les deux détections.
    5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les obstacles font partie de l'une au moins des catégories suivantes: ponts ou tunnels surplombant le trajet, bâtiments bordant le trajet, barrières de passages à niveau, rochers, obstacles artificiels.
    6. Dispositif de localisation précise d'un véhicule (1), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur radiométrique hyperfréquences (2, 3), un circuit de traitement (4 à 6) et une mémoire (7) dans laquelle sont mémorisés les emplacements exacts des obstacles.
    7. Dispositif selon la revendication 1, le véhicule comportant un odomètre, caractérisé en ce que le circuit de traitement est relié à l'odomètre par une interface bidirectionnelle.
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